Triển vọng công nghệ năng lượng (2020): Mô hình ETP kết hợp phân tích cung và cầu năng lượng

Triển vọng Công nghệ Năng lượng 2020 ( ETP 2020 ) áp dụng kết hợp các kỹ thuật kịch bản từ nay đến năm 2070 để đánh giá những diễn biến dài hạn có thể có của ngành năng lượng. Đầu tiên là “dự báo ngược”, hoặc các kịch bản quy chuẩn, đặt ra các con đường hợp lý đến một trạng thái cuối mong muốn. Nó cho phép chúng ta xác định các mốc quan trọng cần đạt được và các xu hướng cần thay đổi kịp thời để đạt được mục tiêu cuối cùng. Vế thứ hai là về các kịch bản khám phá, xem xét những gì có thể xảy ra trên cơ sở một tập hợp các giả định. Ưu điểm của các kịch bản khám phá, trong đó trạng thái cuối là kết quả của phân tích, là nó cho phép xem xét nhiều hơn các ràng buộc ngắn hạn.

Mô hình ETP kết hợp phân tích cung và cầu năng lượng

Phân tích và mô hình hóa trong ETP-2020 nhằm mục đích xác định một cách tiết kiệm để xã hội đạt được kết quả mong muốn, nhưng kết quả theo kịch bản không nhất thiết phản ánh cách làm như vậy ít tốn kém nhất. Về bản chất, điều này là do cách tiếp cận ít chi phí nhất không bị hạn chế có thể mang tính lý thuyết và có thể không tính đến tất cả các vấn đề cần được xem xét trong thực tế. Nhiều vấn đề quan trọng không thể được nắm bắt trực tiếp trong khuôn khổ tối ưu hóa chi phí, bao gồm, ví dụ, sở thích chính trị hoặc cá nhân, tỷ lệ tăng giá khả thi, hạn chế về vốn và sự chấp nhận của công chúng. Do đó, thực hiện một phân tích thuần túy với chi phí thấp nhất cho một số lĩnh vực sử dụng cuối cùng (cụ thể là các tòa nhà và giao thông) không phải lúc nào cũng phù hợp. Phân tích như vậy cũng không tính đến các tác động thứ cấp do biến đổi khí hậu, chẳng hạn như chi phí thích ứng. Bằng cách kết hợp các phương pháp tiếp cận mô hình khác nhau,

Tất cả các công nghệ được mô hình hóa trong ETP-2020 đã có sẵn trên thị trường hoặc ở giai đoạn phát triển tương đối tiên tiến, do đó công nghệ ít nhất đã đạt đến giai đoạn nguyên mẫu lớn và có thông tin về hiệu suất dự kiến và chi phí của nó trên quy mô lớn. Chi phí cho nhiều công nghệ này dự kiến sẽ giảm theo thời gian, giúp tạo ra một tương lai carbon thấp khả thi về mặt kinh tế. Để làm cho kết quả mạnh mẽ hơn, phân tích theo đuổi một danh mục công nghệ trong khuôn khổ giảm thiểu chi phí trong các hạn chế về kỹ thuật, kinh tế và quy định. Điều này cung cấp một hàng rào chống lại những rủi ro thực sự liên quan: nếu một công nghệ hoặc nhiên liệu không phát huy hết tiềm năng mong đợi của nó, nó có thể dễ dàng được bù đắp hơn bởi công nghệ hoặc nhiên liệu khác nếu tỷ trọng của nó trong tổng thể năng lượng thấp. Xu hướng của hệ thống năng lượng bao gồm một danh mục công nghệ trở nên rõ rệt hơn khi lượng khí thải carbon giảm xuống, vì các lựa chọn công nghệ để giảm phát thải và tiềm năng triển khai của chúng thường phụ thuộc vào điều kiện địa phương của một quốc gia. Phân tích kịch bản như vậy cũng có thể giúp xác định các ưu tiên R&D đối với các lựa chọn công nghệ ít tiên tiến hơn để giảm khoảng cách về hiệu suất và chi phí với các công nghệ hiện tại, đồng thời tạo điều kiện gia nhập thị trường và triển khai rộng rãi hơn.

Mô hình ETP, là công cụ phân tích chính được sử dụng trong ETP 2020, hỗ trợ tích hợp và thao tác dữ liệu từ bốn mô hình liên kết mềm:

chuyển đổi năng lượng

ngành công nghiệp

chuyên chở

cao ốc (nhà ở và thương mại / dịch vụ).

Mô hình giúp chúng ta có thể khám phá các kết quả phản ánh các biến trong cung cấp năng lượng (sử dụng mô hình chuyển đổi năng lượng) và trong ba lĩnh vực sử dụng cuối cùng có nhu cầu năng lượng cao nhất và phát thải khí nhà kính lớn nhất (sử dụng các mô hình cho công nghiệp, giao thông và các tòa nhà).  minh họa tác động qua lại của các yếu tố này trong các quá trình mà năng lượng sơ cấp được chuyển hóa thành năng lượng cuối cùng được sử dụng trong ba lĩnh vực sử dụng cuối cùng theo yêu cầu này.

Mô hình cung cấp -ETP-TIMES

Mô hình Cung cấp ETP-TIMES là mô hình từ dưới lên, làm giàu công nghệ, mô tả sự chuyển hóa và cung cấp năng lượng sơ cấp thành nhu cầu năng lượng cuối cùng cho đến năm 2070. Nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp bao gồm các nguồn năng lượng hóa thạch thông thường và độc đáo (than cứng, than non, dầu và khí đốt tự nhiên), cung cấp nhiên liệu hạt nhân và tài nguyên tái tạo (sinh khối, năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và năng lượng biển). Lĩnh vực chuyển đổi bao gồm sản xuất điện và nhiệt, lọc dầu, sản xuất nhiên liệu tổng hợp, sản xuất nhiên liệu sinh học lỏng và khí cũng như sản xuất hydro và nhiên liệu gốc hydro (nhiên liệu hydrocacbon tổng hợp từ hydro và CO 2 , amoniac). Việc thu khí CO 2 trực tiếp từ khí quyển, mặc dù là một lựa chọn công nghệ xuyên suốt, cũng là một phần của mô hình cung cấp.

Mô hình bao gồm 28 khu vực, đại diện cho từng quốc gia, chẳng hạn như Ấn Độ, hoặc tổng hợp của một số quốc gia, chẳng hạn như Trung Đông. Các vùng mô hình được liên kết với nhau bằng hoạt động buôn bán các hãng vận chuyển năng lượng hóa thạch (dầu thô, sản phẩm dầu mỏ, than đá, khí đường ống, khí đốt tự nhiên hóa lỏng), nhiên liệu sinh học (diesel sinh học, cồn sinh học), hydro hóa lỏng, nhiên liệu hydrocacbon tổng hợp từ hydro, amoniac và điện.

Phương pháp luận

Mô hình Cung cấp ETP-TIMES dựa trên bộ tạo mô hình TIMES (Hệ thống tích hợp MARKAL-EFOM), đã được phát triển và đang được duy trì bởi Chương trình Phân tích Hệ thống Công nghệ Năng lượng, một trong những Chương trình Hợp tác Công nghệ của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) . TIMES cho phép đại diện kinh tế của các hệ thống năng lượng địa phương, quốc gia và đa vùng trên cơ sở công nghệ chi tiết (Loulou và cộng sự, 2016).

Bắt đầu từ tình hình hiện tại (ví dụ: dự trữ công suất hiện có, chi phí vận hành và hiệu suất chuyển đổi) trong lĩnh vực chuyển đổi, mô hình cung cấp tích hợp các đặc điểm kinh tế và kỹ thuật của các công nghệ mới có thể được bổ sung vào hệ thống năng lượng trong tương lai. Sau đó, mô hình có thể xác định hỗn hợp công nghệ có chi phí thấp nhất cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng cuối cùng được tính toán trong các mô hình khu vực sử dụng cuối ETP cho nông nghiệp, tòa nhà, công nghiệp và giao thông

Nhìn chung, khoảng 400 công nghệ được xem xét trong lĩnh vực chuyển đổi. Công nghệ được mô tả dưới dạng các thông số kinh tế và kỹ thuật của chúng, chẳng hạn như hiệu quả chuyển đổi hoặc chi phí đầu tư cụ thể. Các đường cong học tập được sử dụng cho các công nghệ mới để liên kết sự phát triển chi phí trong tương lai với việc triển khai năng lực tích lũy.

Nhu cầu điện được chia thành ngoài đô thị và đô thị, trong đó đô thị được chia thành năm loại thành phố theo quy mô dân số để phản ánh sự khác biệt của địa phương về tiềm năng kỹ thuật đối với quang điện mặt trời trên mái nhà (PV) và chất thải rắn đô thị. Các nguồn năng lượng tái tạo cho gió trên bờ và ngoài khơi, điện mặt trời và nhiệt điện mặt trời được dựa trên đánh giá không gian địa lý cho các vùng mô hình khác nhau, phân biệt tiềm năng ở các vùng đó, có tính đến yếu tố công suất của các nguồn tài nguyên (ngoài ra, đối với gió ngoài khơi, độ sâu nước và khoảng cách đến bờ biển) và khoảng cách từ vị trí của các nguồn tài nguyên đến các thành phố (năm loại khoảng cách) như một giá trị gần đúng cho chi phí truyền tải cần thiết để sử dụng các nguồn tài nguyên này. Để nắm bắt tác động đến các quyết định đầu tư của sự thay đổi nhu cầu điện và nhiệt, cũng như sự thay đổi trong sản xuất từ một số công nghệ tái tạo nhất định, một năm được chia thành bốn mùa, với mỗi mùa được biểu thị bằng một ngày điển hình, một năm lại được chia thành tám phân đoạn tải hàng ngày trong ba giờ. Mô hình Cung cấp ETP-TIMES cũng tính đến các ràng buộc bổ sung trong hệ thống năng lượng, chẳng hạn như mục tiêu giảm phát thải và nó có thể quyết định nội sinh để rút lui công suất trước khi kết thúc vòng đời kỹ thuật của công nghệ, cũng như bổ sung công suất. Kết quả của mô hình cung cấp thông tin chi tiết về các dòng năng lượng trong tương lai và các tác động phát thải liên quan của chúng, các bổ sung công nghệ cần thiết và chi phí tổng thể của lĩnh vực cung ứng. Một năm được chia thành bốn mùa, với mỗi mùa được thể hiện bằng một ngày điển hình, lại được chia thành tám phân đoạn tải hàng ngày trong ba giờ.

Mô hình Cung cấp ETP-TIMES cũng tính đến các ràng buộc bổ sung trong hệ thống năng lượng, chẳng hạn như mục tiêu giảm phát thải và nó có thể quyết định nội sinh để rút lui công suất trước khi kết thúc vòng đời kỹ thuật của công nghệ, cũng như bổ sung công suất. Kết quả của mô hình cung cấp thông tin chi tiết về các dòng năng lượng trong tương lai và các tác động phát thải liên quan của chúng, các bổ sung công nghệ cần thiết và chi phí tổng thể của lĩnh vực cung ứng. một năm được chia thành bốn mùa, với mỗi mùa được thể hiện bằng một ngày điển hình, lại được chia thành tám phân đoạn tải hàng ngày trong ba giờ. Mô hình Cung cấp ETP-TIMES cũng tính đến các ràng buộc bổ sung trong hệ thống năng lượng, chẳng hạn như mục tiêu giảm phát thải và nó có thể quyết định nội sinh để rút lui công suất trước khi kết thúc vòng đời kỹ thuật của công nghệ, cũng như bổ sung công suất. Kết quả của mô hình cung cấp thông tin chi tiết về các dòng năng lượng trong tương lai và các tác động phát thải liên quan của chúng, các bổ sung công nghệ cần thiết và chi phí tổng thể của lĩnh vực cung ứng. Mô hình Cung cấp ETP-TIMES cũng tính đến các ràng buộc bổ sung trong hệ thống năng lượng, chẳng hạn như mục tiêu giảm phát thải và nó có thể quyết định nội sinh để rút lui công suất trước khi kết thúc vòng đời kỹ thuật của công nghệ, cũng như bổ sung công suất. Kết quả của mô hình cung cấp thông tin chi tiết về các dòng năng lượng trong tương lai và các tác động phát thải liên quan của chúng, các bổ sung công nghệ cần thiết và chi phí tổng thể của lĩnh vực cung ứng. Mô hình Cung cấp ETP-TIMES cũng tính đến các ràng buộc bổ sung trong hệ thống năng lượng, chẳng hạn như mục tiêu giảm phát thải và nó có thể quyết định nội sinh để rút lui công suất trước khi kết thúc vòng đời kỹ thuật của công nghệ, cũng như bổ sung công suất. Kết quả của mô hình cung cấp thông tin chi tiết về các dòng năng lượng trong tương lai và các tác động phát thải liên quan của chúng, các bổ sung công nghệ cần thiết và chi phí tổng thể của lĩnh vực cung ứng.

Để phân tích chi tiết hơn các khía cạnh hoạt động của ngành điện, mô hình Cung cấp ETP-TIMES dài hạn đã được bổ sung với mô hình điều độ tuyến tính. Mô hình này sử dụng các kết quả đầu ra của mô hình Cung cấp ETP-TIMES, cụ thể là công suất lắp đặt, để phân tích hoạt động của hệ thống điện cho một vùng và năm mô hình cụ thể. Điều này cho phép đánh giá chi tiết cả năm với độ phân giải thời gian một giờ bằng cách sử dụng bộ dữ liệu cho sản xuất gió, sản xuất điện mặt trời và nhu cầu điện hàng giờ. Kết quả của mô hình điều phối được kết hợp vào mô hình Cung cấp ETP-TIMES dài hạn.

Với đường cầu hàng giờ và một tập hợp các ràng buộc hoạt động theo công nghệ cụ thể, mô hình điều độ tuyến tính xác định cấu hình tạo ra hàng giờ tối ưu, như được minh họa trong trong khoảng thời gian hai tuần. Để tăng tính linh hoạt của mô hình hệ thống điện, mô hình điều độ tuyến tính có thể chỉ ra nhu cầu đầu tư vào lưu trữ điện hoặc các công nghệ phát điện linh hoạt bổ sung (chẳng hạn như tuabin khí), và có thể bao gồm đáp ứng nhu cầu từ việc sử dụng điện trong lĩnh vực giao thông và tòa nhà trong phân tích của nó.

Mô hình điều phối tuyến tính biểu thị lưu trữ theo ba bước: tính phí, lưu trữ và xả hàng. Các hạn chế vận hành chính bao gồm trong mô hình là trạng thái công suất, mức phát điện tối thiểu và thời gian, tăng và giảm tốc độ, thời gian ngừng hoạt động tối thiểu, tính khả dụng của nhà máy hàng năm, cân nhắc chi phí liên quan đến các hình phạt hiệu quả khi khởi động và tải một phần, và mức tối đa dung tích hồ chứa tính theo năng lượng (megawatt giờ [MWh]).

Các hạn chế của mô hình bao gồm những thách thức liên quan đến việc thiếu dữ liệu toàn diện về khối lượng lưu trữ (MWh) cho các nhà máy tích trữ thủy điện bơm hiện có ở một số quốc gia và khu vực. Mạng lưới điện không được lập mô hình rõ ràng, điều này cản trở việc nghiên cứu tác động của các yếu tố phụ thuộc không gian, chẳng hạn như tổng hợp các đầu ra có thể tái tạo thay đổi với khả năng kết nối tốt hơn.

Dữ liệu đầu vào

Các dạng dữ liệu đầu vào khác nhau được yêu cầu cho mô hình cung cấp. Để tái tạo các dòng năng lượng trong năm gốc, thông tin (hoặc giả định) về công suất lắp đặt cho các công nghệ hiện có và các giả định về hiệu suất và hoạt động kinh tế kỹ thuật của chúng được kết hợp với Thống kê và Cân bằng Năng lượng Thế giới của IEA. Các giả định cũng được đưa ra về các đặc điểm kinh tế và kỹ thuật của công nghệ trong tương lai và về thời điểm công nghệ mới có thể xuất hiện trong tương lai, nếu hiện nay vẫn chưa có mặt trên thị trường. Đối với nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp, thông tin về nguồn dự trữ và tài nguyên năng lượng hóa thạch, chi phí sản xuất cũng như tiềm năng tái tạo và tính sẵn có theo thời gian của chúng là những yếu tố đầu vào thêm vào mô hình. Bộ dữ liệu không gian địa lý đã được sử dụng để tính toán các tiềm năng của khu vực đối với điện mặt trời,

Thông tin về các công suất đã lắp đặt hiện có và hiệu suất của chúng được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các báo cáo thị trường trung hạn của IEA; các cơ sở dữ liệu thương mại của Chương trình Hợp tác Công nghệ IEA như Cơ sở dữ liệu Nhà máy Điện Thế giới của Platts hoặc UCube của Rystad Energy; và các báo cáo từ các học viện, ngành công nghiệp và các tổ chức khác, chẳng hạn như Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế.

Ranh giới đầu tư

Các khoản đầu tư được báo cáo cho các lĩnh vực bên cung, càng nhiều càng tốt, dựa trên tổng chi phí: chúng bao gồm chi phí cho thiết bị; nhân công; kỹ thuật, mua sắm và xây dựng; cũng như chi phí của chủ sở hữu, nhưng không bao gồm chi phí lãi vay trong quá trình xây dựng. Các khoản chi phí vận hành và bảo trì cố định không được tính vào các khoản đầu tư, mặc dù chúng được xem xét trong bối cảnh đặc điểm kinh tế của các công nghệ trong mô hình.

Nguồn: Trung tâm NC&PT hội nhập KH&CN quốc tế liên kết nguồn tin và dịch từ Cổng thông tin của Cơ quan năng lượng quốc tế IEA

https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020/etp-model#abstract